Disciplina: Projetos de Ferramentais I Professor: Guilherme O. Verran. Aula 08_Projetos 01: Solidificação, Contração e Alimentação dos Metais

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1 Disciplina: Projetos de Ferramentais I Professor: Guilherme O. Verran Aula 08_Projetos 01: Solidificação, Contração e Alimentação dos Metais 1. Introdução Diferenças entre sólidos e líquidos Eventos que caracterizam a solidificação. Heterogeneidades que podem ocorrer durante a solidificação. Importância da solidificação na tecnologia de fundição. Nucleação da Fase Sólida - Nucleação Homogênea e Nucleação Heterogênea Crescimento da Fase Sólida - Modelos de Crescimento 2. Contração e alimentação Contrações que ocorrem durante o resfriamento de peças fundidas. Contrações e rechupes em função do modo de solidificação. Compensação das constrações uso de massalotes. Conceito de massalote - Funções de um massalote. Requisitos dos Massolotes Projeto de Massalotes

2 Solidificação - Fundamentos Fundamentos da Solidificação de Metais e Ligas Diferenças entre Líquidos e Sólidos LÍQUIDOS Átomos apresentam alta energia cinética Ordem de curto alcance SÓLIDOS Átomos podem vibrar apenas em torno de uma posição fixa Arranjados numa ordem de longo alcance

3 Solidificação - Fundamentos SOLIDIFICAÇÃO Objetivo: fixar os átomos que se movimentam violentamente e arranjá-los numa ordem de longo alcance Retirada de Energia Térmica (Resfriamento)

4 Solidificação - Fundamentos SOLIDIFICAÇÃO A transformação Líquido-Sólido por que passa o metal é de natureza ativa e dinâmica ocorrem diversos eventos que devem ser devidamente controlados de modo a não comprometerem o desempenho final do produto. Ocorrência de Heterogeneidades

5 Heterogeneidades que podem ocorrer durante a solidificação de metais ou ligas Físicas : Rechupes Trincas de Contração Porosidades Solidificação - Fundamentos Químicas: Segregações de Impurezas ou Elementos de Liga (escalas micro ou macroscópica). Estruturais: Tipos Distribuição Tamanho Natureza Dos Grãos ou Cristais.

6 Solidificação - Fundamentos Heterogeneidades Fisicas Defeitos Fisicos DESCONTINUIDADES AO LONGO DO MATERIAL. Rechupes Trincas de Solidificação Porosidades Contração na Solidificação Modelo de Solidificação Projeto Gases Dissolvidos no Metal Liquido

7 Solidificação - Fundamentos Importância do entendimento da Solidificação na Tecnologia de Fundição Dimensionamento e localização dos canais de enchimento e alimentação Conhecimento das causas e das medidas corretivas quanto aos defeitos de solidificação (rechupes, trincas, porosidades) e às heterogeneidades de composição química (segregações). Otimização e controle das variáveis do processo. Desenvolvimento de novos materiais e processos.

8 Solidificação - Fundamentos Como todas as transformações de fase, a solidificação se processa em duas etapas sucessivas de Nucleação e Crescimento de uma nova fase em meio à anterior. Nucleação Surgimento da fase sólida de forma estável no seio da fase líquida, sob a forma de pequenos núcleos cristalinos. Crescimento Modo pelo qual estes núcleos crescem sob a forma de cristais ou grãos cristalinos.

9 Solidificação - Fundamentos Nucleação Homogênea Ocorre sem a interferência ou contribuição energética de elementos ou agentes estranhos ao sistema metal líquido-metal sólido. Formação do Núcleo é devida à ocorrência do Superesfriamento Térmico. Superesfriamento Térmico Condição essencial para que os embriões da fase sólida possam sobreviver na forma de núcleos estáveis. Fase Líquida Superesfriada Térmicamente Fase Sólida apresenta Maior Estabilidade Termodinâmica, pois possui um valor de Energia Livre (G) menor que a fase líquida.

10 Solidificação - Fundamentos CURVA DE RESFRIAMENTO - REGISTRO TÉRMICO DA SOLIDIFICAÇÃO Temperatura de Vazamento - T v Temperatura ( 0 C) Temperatura de Nucleação - T N T Temperatura de Solidificação - T S L L + S S Tempo de Solidificação tempo T = T S T N Superesfriamento Térmico

11 Solidificação - Fundamentos Nucleação Heterogênea Caracteriza-se pela interferência de agentes estranhos ao sistema denominados SUBSTRATOS (energia superficial participa do jogo energético da sobrevivência do embrião na forma de núcleo estável). Condição mais favorável para a nucleação O EMBRIÃO surge na superfície do substrato sob a forma de uma CALOTA ESFÉRICA, aproveitando a energia de superfície ali disponível.

12 Prof. Projeto Dr. Guilherme de Ferramentais Verran I Aplicação Prática da Teoria da Nucleação Heterogênea INOCULAÇÃO E REFINO DE GRÃO Solidificação - Fundamentos Adição ou Inoculação de substratos heterogêneos com alta potência de nucleação (sob a forma de partículas finamente divididas). Os INOCULANTES (REFINADORES) são distribuídos uniformemente no seio do metal líquido por meio de um veículo volátil a eles previamente adicionado Cada partícula do NUCLEANTE atua como um SUBSTRATO LOCALIZADO para a nucleação heterogênea da fase sólida, devido ao fato de apresentar um alto índice de molhamento pelo metal líquido.

13 Solidificação - Fundamentos Crescimento da Fase Sólida Após a formação do núcleo, o mesmo tende a crescer com resultado da deposição de átomos que migram do líquido para o sólido. Mecanismos de Crescimento Crescimento com Interface Lisa (Facetada) ou Solidificação Progressiva Crescimento com Interface Difusa ou Solidificação Extensiva

14 Solidificação - Fundamentos Interface Plana Interface Celular Interface Dendrítica Nucleação Independente Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação

15 Solidificação - Fundamentos Crescimento com Interface Lisa ou Solidificação Progressiva Líquido Sólido A Interface cresce segundo um Plano Atômico bem definido que separa as Fases Sólido (ordenada atomicamente) e Líquido (desordenada atomicamente), caracterizado por uma variação abrupta e nítida Típico de Metais Puros ou Ligas Eutéticas.

16 Solidificação - Fundamentos Crescimento com Interface Difusa ou Solidificação Extensiva Metal Líquido Metal Semi-Sólido Metal Sólido A Interface de Crescimento não apresenta uma separação bem definida entre as Fases Sólido e Líquido ocorrendo a formação de uma região intermediária formada pela mistura de fases sólida e líquida (metal semi-sólido). Modelo de Crescimento característico de Ligas que solidificam sob um intervalo de temperaturas ( T = T L T S Intervalo de Solidificação)

17 Contrações durante a obtenção de uma peça fundida: Contração no Estado Líquido Contração na Solidificação Desde a temperatura de vazamento até a de início da solidificação Do início até o final da solidificação Compensadas pelo uso de Massalotes Contração no Estado Sólido Do final da solidificação até a temperatura ambiente Compensada na Fabricação dos Ferramentais

18 Representação esquemática da contração de aço baixo carbono, mostrando a contribuição dos três diferentes estágios da solidificação: contração no líquido, contração na solidificação e contração no sólido.

19 (a) Metal Líquido Inicial (b) Formação de uma casca sólida e do vazio de contração (c) Contração interna. (d) Contração interna + contração externa (e) Vazio na superfície Representação esquemática da contração de um cubo de ferro fundido

20 MASSALOTES Massalotes ou Montantes são reservatórios de metal líquido que constituem os sistemas de canais de alimentação de peças fundidas Parte da peça fundida alimentada pelo massalote Massalote

21 Função dos Massalotes: compensar as contrações no estado líquido e de solidificação de metais e suas ligas garantindo assim a sanidade das peças obtidas. Rechupe Massalote Peça

22 Massalote (alimentador) Riser Solidificação Progressiva Solidificação Direcional Solidificação direcional e progressiva numa peça com massalote

23 Grau de Sanidade Parâmetro fundamental no dimensionamento e na localização dos massalotes O projeto de um massalote visa basicamente: Obter uma alimentação eficiente Peças com sanidade interna Obter o máximo rendimento metálico Economia no processo Facilitar a operação de limpeza da peça Produtividade

24 Contrações na solidificação de um Metal Puro Modelo de Solidificação Progressiva V V i V o Superaquecimento Metal Sólido Líquido Sólido V s T s T (decrescente) Característica de um Metal Puro Solidificação a uma temperatura constante

25 Ligas que solidificam com temperatura constante INTERFACE PLANA METAIS PUROS COMPOSIÇÃO EUTÉTICA Representação esquemática do modelo de solidificação de um metal puro

26 Contrações na solidificação de uma Liga com Intervalo de Solidificação Modelo de Solidificação Extensiva Superaquecimento V Metal Pastoso Metal Sólido Líquido Semi-Sólido V i Sólido V c V f T (decrescente) Característica de uma Liga Solidificação em uma faixa de temperaturas

27 Ligas com pequeno intervalo de solidificação FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO PLANA AÇOS FERROS FUNDIDOS LATÕES Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com pequeno intervalo de solidificação.

28 Ligas com grande intervalo de solidificação FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO DENDRÍTICA LIGAS DE Al HIPOEUTÉTICAS BRONZES Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com grande intervalo de solidificação.

29 Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga com intervalo de solidificação médio

30 Tabela I: Valores de Contração Volumétrica de Solidificação para alguns metais e ligas. MATERIAL CONTRAÇÃO (%) Aço carbono 2,5 3,5 Alumínio 6,5 Cobre 5,0 Ferro fundido branco 4,0 5,5 Ferro fundido cinzento 0 2,0

31 Tabela II: Valores de Contrações Linear, Superficial e Volumétrica na Solidificação para alguns metais e ligas. CONTRAÇÃO DE SOLIDIFICAÇÃO METAIS LINEAR SUPERFICIAL CÚBICA AÇO 0,018= 1/55 0,036= 1/28 0,054= 1/18 FERRO FUNDIDO 0,010= 1/100 0,020 1/50 0,030= 1/33 ALUMÍNIO 0,018= 1/55 0,036= 1/28 0,054= 1/18 CHUMBO 0,011= 1/90 0,022= 1/45 0,033= 1/30

32 Influência do modo de solidificação na alimentação de peças fundidas Liga com pequeno intervalo de solidificação Liga com grande intervalo de solidificação

33 Massalote Peça Macro rechupe em ponto quente Metal com Sanidade Rechupes na linha central Formas de rechupes em peças fundidas para ligas que solidificam de forma progressiva

34 Massalote Macro Rechupes Dispersos no Massalote e nas suas proximidades Macro Rechupes Dispersos num Ponto Quente Peça Micro Rechupes dispersos, normalmente em camadas Formas de rechupes em peças fundidas em areia para ligas com grande intervalo de solidificação.

35 Classificação das principais ligas quanto ao modelo de solidificação Ligas que solidificam com temperatura constante COMPOSIÇÃO EUTÉTICA METAIS PUROS INTERFACE PLANA Ligas com pequeno intervalo de solidificação AÇOS FERROS FUNDIDOS LATÕES FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO PLANA Ligas com grande intervalo de solidificação LIGAS DE Al HIPOEUTÉTICAS BRONZES FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO DENDRÍTICA Ligas com expansão volumétrica em algum estágio da solidificação FERROS FUNDIDOS CINZENTOS E NODULARES

36 Consequências dos diferentes modelos de solidificação na prática de alimentação. FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO PLANA Necessidade de promover solidificação direcionada na própria peça e do (s) ponto (s) quente(s) para o massalote Maior facilidade de alimentação FRENTE DE SOLIDIFICAÇÃO DENDRÍTICA Baixa temperatura de vazamento Uso de Resfriadores Ataques nas partes finas

37 TIPOS DE MASSALOTES Aberto De topo Cego De topo Aberto Lateral Cego Lateral

38 Mecanismo de Formação de Rechupes Evolução da solidificação de parte de uma peça, mostrando com se forma um rechupe.

39 Condições para um bom funcionamento do massalote: 1. O massalote deve ser localizado junto a parte da peça que solidifica por último. Qual(is) é(são) a (s) parte(s) da peça que solidifica(m) por último? Método de Heuvers (Círculos Inscritos) Qual a Zona de Ação do massalote? Zona de Ação: distância ao longo da peça, na qual o massalote é efetivo Distância de Alimentação

40 Plaqueta Exotérmica Rechupe Resfriador Formação de Rechupe na Região C Placa Exotérmica Tempo de Solidificação Resfriador Tempo de Solidificação

41 Zona de Ação ou Distância de Alimentação Distância Máxima Contribuição do massalote Efeito Ponta Distância máxima de alimentação em placas de aço.

42 Zona de Ação ou Distância de Alimentação Comprimento maior que a máxima distância de alimentação do massalote Isento Variável Rechupes na linha de centro Quando a distância máxima de alimentação é excedida ocorre a formação de rechupes na região indicada no desenho

43 Zona de Ação ou Distância de Alimentação Distância de alimentação adicional devido ao uso de um resfriador (Ex.: aço em molde de areia)

44 2. O massalote deve solidificar após a parte da peça que deve ser alimentada. Módulo de Resfriamento M = V/S V= volume da peça (ou parte da peça a ser alimentada) S = superfície da peça que sofre resfriamento através das paredes do molde Regra de Chvorinov t s = k M 2 t s = tempo de solidificação (s) K = constante que depende dos materiais do molde e da peça, e da temperatura de vazamento

45 3. O massalote deve conter quantidade suficiente de metal líquido. Volume massalote > Volume do rechupe em formação na peça 4. O massalote deve atuar com pressão máxima durante o tempo de solidificação 5. O Massalote deve ter o peso mínimo em relação ao peso da peça

46 Projetos de Massalotes Requisito Térmico O massalote deve apresentar um módulo de resfriamento maior que o da peça M M = K. M P M M = Módulo do Massalote M P = Módulo da Peça K = Coeficiente de Segurança

47 Valores de K para algumas condições práticas: Liga Molde Tipo de Massalote K crítico FoFo Cinzento CE 4,2 P <0,2 FoFo Cinzento CE 4,2 P <0,6 Areia Verde De Topo (2) Lateral (1) De Topo (1) 0,30 0,88 1,00 Areia Verde De Topo (1) e (2) 1,09 FoFo Cinzento Rígido De Topo (1) 0,60 Aço Baixo C Areia Verde Areia Estufada De Topo (1) De Topo (1) 1,29 1,16 Aço Inox 18-8 A.Verde/Estufada De Topo (1) 1,15 Obs. : (1) Altura Fixa/Diâmetro Variável (2) Diâmetro Fixa/Altura Variável

48 Valores de K para algumas condições práticas: Liga Molde Tipo de Massalote K crítico Bronze Al Areia Verde De Topo (1) 1,12 Bronze Mn Areia Verde De Topo (1) ou (2) 1,14 Monel Areia Seca De Topo 1,15 Ligas de Al Areia Verde De Topo 1,25 Liga Al12Si Areia Verde De Topo 1,20 Obs. : (1) Altura Fixa/Diâmetro Variável (2) Diâmetro Fixa/Altura Variável

49 Projetos de Massalotes Requisito Volumétrico O volume do massalote deve ser maior ou igual ao volume de metal a ser fornecido para compensação da contração durante a solidificação. Equação Básica V M = V P. b / η - b b = Coeficiente de contração volumétrica V P = Volume da peça (ou parte da peça a ser alimentada) η = Rendimento do massalote Caso Geral η = 14%

50 Valores de b para diversas ligas metálicas: Liga Superaquecimento 50 0 C Superaquecimento C Bronze 0,04 0,045 Latão Comum 0,06 0,065 Latão Especial 0,07 0,075 Ligas de Mg 0,045-0,05 0,05-0,06 Al Si (10-13) 0,045 0,05 Al Si (05-10) 0,065-0,075 0,07-0,08 Al Cu (04-08) 0,065-0,075 0,07-0,08 Al Mg (03-06) 0,08 0,085-0,09 Aço C 0,8 0,06 0,07 Aço C 0,3 0,05 0,06

51 Dimensionamento pelo Sistema Francês Equação Básica V M k. b. V c b = Coeficiente de Contração Volumétrica k = Coeficiente de Segurança V C = V P. d S / d L Depende das condições de funcionamento do Massalote Tipo de Massalote k d S = densidade no estado sólido d L = densidade no estado líquido Caso Geral : d S / d L = 1,14 FoFos : d S / d L = 1,06 Massalote Comum Aquecido p/ataque Coberto c/ Exotérmico FoFo em Molde Rígido C/ Luva Exotérmica

52 Dimensionamento do Pescoço (Ligação Peça Massalote) Caso Geral: o pescoço deve apresentar um tempo de solidificação intermediário entre o da peça e do massalote. Segundo Vlodaver : M P : M PESC : M M = 1 : 1,1 : 1,2 Caso Particular (Ferros Fundidos Cinzentos e Nodulares) : se usa a expansão da grafita como compensação da contração, os massalotes só devem alimentar as contrações de solidificação da fase próeutética, devendo o pescoço solidificar antes do início da reação eutética, evitando assim o fenômeno de refluxo. M P : M PESC : M M = 1 : 0,8:1,05-1,1

53 Massalotes laterais Regras Gerais para Design de Pescoços para Massolotes Massalote lateral para peça tipo placa. Massalotes de Topo

54 Projetos de Massalotes Roteiro para Cálculo de Massalotes 1. Determinação do Módulo(ou dos módulos parciais) da Peça a. Cálculo dos Módulos Parciais b. Estabelecimento da Ordem de Solidificação na Peça c. Determinação dos Pontos Quentes 2. Definição das Partes da Peça a serem Alimentadas

55 Projetos de Massalotes 3. Determinação do Número de Massalotes Uso da Regra da Zona de Ação ou Distância de Alimentação - Tipo de metal ou liga - Modelo de solidificação - Geometria da peça - Grau de superaquecimento - Uso de resfriadores Valores Tabelados

56 Projetos de Massalotes 4. Dimensionamento do Massalote 4.1 Requisito Térmico Módulo do Massalote M M = K. M P 4.2 Requisito Volumétrico Volume do Massalote Escolher a condição mais crítica. V M > V rechupe Determinar as dimensões do massalote que satisfaz esta condição.

57 Projetos de Massalotes 5. Dimensionamento do Pescoço do Massalote. 6. Distribuição dos massalotes ao longo da peça (esquema) 7. Cálculo do Rendimento Metalúrgico.